新工科背景下虛實(shí)結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)

郭軍紅，崔錦峰,2，楊保平

（1. 蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2. 蘭州理工大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理處，甘肅 蘭州 730050）

2017年6月，教育部辦公廳印發(fā)《關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，推出新工科建設(shè)的戰(zhàn)略舉措[1-6]。蘭州理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)以新工科背景下工程教育認(rèn)證為切入點(diǎn)[7-8]，從培養(yǎng)化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生工程能力角度出發(fā)，建設(shè)化工虛擬仿真與實(shí)訓(xùn)平臺，開發(fā)虛擬仿真與實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)過化工產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)室合成、化工工藝流程仿真訓(xùn)練、化工產(chǎn)品中試生產(chǎn)過程實(shí)訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生從研發(fā)到中試生產(chǎn)的研發(fā)能力。

1 虛實(shí)結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)

1.1 開發(fā)目的

開發(fā)虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的在于圍繞化學(xué)工程與技術(shù)高等人才培養(yǎng)目標(biāo)，貫徹“產(chǎn)出導(dǎo)向，學(xué)生中心、持續(xù)改進(jìn)”的工程教育理念和新工科2.0教育理念[9-13]，形成獨(dú)具特色的目標(biāo)反求式、問題探究式、情景再現(xiàn)式和過程貫通式等行之有效的教學(xué)新方法，通過對傳統(tǒng)教學(xué)方法重組與改革，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)優(yōu)秀教學(xué)模式的繼承發(fā)揚(yáng)和現(xiàn)代教學(xué)體系的更新補(bǔ)充。

虛實(shí)結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)“四個解決、四個保證”，即：解決教學(xué)計(jì)劃受制于生產(chǎn)企業(yè)的困惑局面，保證化工人才培養(yǎng)教學(xué)活動的正常秩序；解決化工人才培養(yǎng)中工程實(shí)踐的薄弱環(huán)節(jié)，保證復(fù)雜工程問題能力的綜合訓(xùn)練；解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中費(fèi)時、耗材和盲目操作的缺陷，保證教學(xué)活動的收益和學(xué)生實(shí)驗(yàn)誤操作風(fēng)險的降低；化解純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的弊端，保證先仿后作、先虛后實(shí)，取得良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

虛實(shí)結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)的目的還在于“立足甘肅、示范西部”，為培養(yǎng)“一帶一路”西部黃金段化工專業(yè)人才發(fā)揮著重要作用。

1.2 培養(yǎng)目標(biāo)

虛實(shí)結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目立足于培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行化工產(chǎn)品由小試到中試階段的技術(shù)開發(fā)能力和工程應(yīng)用能力，提高學(xué)生適應(yīng)新工科 2.0時代解決復(fù)雜工程問題的能力，強(qiáng)化學(xué)生獨(dú)立工作能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，為造就“會思考、能實(shí)戰(zhàn)、講誠信、善創(chuàng)新、可持續(xù)”的具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力、社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神和國際視野的化工拔尖創(chuàng)新人才提供保障。

在中試生產(chǎn)訓(xùn)練之前先進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練，通過虛實(shí)結(jié)合的精細(xì)化學(xué)品中試工藝訓(xùn)練，完成對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)：

（1）以精細(xì)化學(xué)品乙酸乙酯為例，在學(xué)科基礎(chǔ)課程有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，完成在酸催化下由乙酸與乙醇通過酯化反應(yīng)合成乙酸乙酯的訓(xùn)練；

（2）化工原理實(shí)驗(yàn)課程中通過乙醇-水體系精餾分離，熟練掌握精餾分離操作；

（3）通過乙酸乙酯中試工藝虛擬仿真訓(xùn)練，掌握精細(xì)化學(xué)品在生產(chǎn)過程中原料準(zhǔn)備、產(chǎn)品合成、回流反應(yīng)、精餾分離、萃取精餾及公用工程之間工藝條件等的銜接控制，提高化工過程設(shè)計(jì)能力；

（4）在乙酸乙酯中試訓(xùn)練裝置上進(jìn)行實(shí)物中試生產(chǎn)訓(xùn)練，訓(xùn)練學(xué)生研發(fā)精細(xì)化學(xué)品從實(shí)驗(yàn)室合成到中試放大試生產(chǎn)整個過程，培養(yǎng)精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)工藝管理、生產(chǎn)管理、工藝控制、安全生產(chǎn)、規(guī)范操作、崗位配合的能力及理念；

（5）通過精細(xì)化學(xué)品乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)室合成（前期進(jìn)行）、中試工藝虛擬仿真、中試工藝真實(shí)物料生產(chǎn)整個過程的訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)“有虛有實(shí)、先虛后實(shí)、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，完成對學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，完成卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃。

2 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施過程

以精細(xì)化學(xué)品乙酸乙酯為例，該虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目包括乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)室合成（前期進(jìn)行）、乙酸乙酯中試虛擬仿真訓(xùn)練、乙酸乙酯中試生產(chǎn)訓(xùn)練等 3個模塊，實(shí)驗(yàn)過程分為預(yù)習(xí)、檢查、實(shí)施、總結(jié)、考核，全流程虛實(shí)結(jié)合，構(gòu)建了化工產(chǎn)品研發(fā)與化工生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)、管理能力培養(yǎng)模式。經(jīng)過本項(xiàng)目的實(shí)施，提高學(xué)生產(chǎn)品研發(fā)從實(shí)驗(yàn)室到中試的工程能力、生產(chǎn)工藝從課本到虛擬操作和組織生產(chǎn)的能力（見圖1）。

圖1 教學(xué)實(shí)施過程

（1）安全環(huán)保教育。通過對實(shí)驗(yàn)過程涉及的化學(xué)危險品及廢棄物物理化學(xué)性質(zhì)的查詢，掌握安全使用化學(xué)危險品方法。針對危險化學(xué)品特性，穿戴適宜的防護(hù)用品；針對泄漏、接觸、吸入等引起的危害，做好應(yīng)急處理預(yù)案；針對中試生產(chǎn)的反應(yīng)器、換熱器、精餾塔、流體輸送設(shè)備及水、電等，掌握生產(chǎn)安全操作規(guī)程。

（2）實(shí)驗(yàn)原理與工藝流程。掌握乙酸與乙醇在酸催化作用下合成乙酸乙酯的實(shí)驗(yàn)原理，掌握化工單元操作合成、回流、蒸餾、萃取精餾、流體輸送、傳熱等操作原理。掌握通過單元操作之間組合形成不同化工產(chǎn)品合成工藝流程的方法。

（3）產(chǎn)品研發(fā)過程能力培養(yǎng)。通過實(shí)驗(yàn)室合成與中試生產(chǎn)訓(xùn)練，掌握化工產(chǎn)品從研發(fā)到產(chǎn)品化的過程。

（4）生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)、管理及組織生產(chǎn)能力培養(yǎng)。通過虛擬仿真與實(shí)際中試生產(chǎn)工藝流程操作對比，掌握化工工藝流程設(shè)計(jì)操作方法，在工序銜接、流程操作與控制結(jié)果方面，虛擬仿真與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的工藝設(shè)計(jì)能力和生產(chǎn)管理的能力。

（5）事故處理能力培養(yǎng)。對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程預(yù)設(shè)的生產(chǎn)事故進(jìn)行分析處理，培養(yǎng)實(shí)際生產(chǎn)過程中的應(yīng)急處置能力。

（6）綜合工程能力養(yǎng)成。經(jīng)過以上幾方面的訓(xùn)練與綜合，最終形成學(xué)生關(guān)于產(chǎn)品研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理的綜合工程能力。

2.2 實(shí)施效果

虛實(shí)結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，解決了教學(xué)計(jì)劃受制于企業(yè)生產(chǎn)的困惑局面，保證了化工人才培養(yǎng)教學(xué)活動的正常秩序；解決了化工人才培養(yǎng)中工程實(shí)踐的薄弱環(huán)節(jié)，保證了復(fù)雜工程問題能力的綜合訓(xùn)練；解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中費(fèi)時、耗材和盲目操作的缺陷，保證了教學(xué)活動的收益和學(xué)生實(shí)驗(yàn)誤操作風(fēng)險的降低；化解了純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的弊端，保證了先仿后作、先虛后實(shí)的良好效果。

（1）通過精細(xì)化學(xué)品中試工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，可培養(yǎng)學(xué)生在精細(xì)化學(xué)品的研發(fā)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)過程中的安全環(huán)保意識，針對使用、生產(chǎn)危險化學(xué)品種類，產(chǎn)生危險廢棄物類別，以及生產(chǎn)過程中易發(fā)生安全環(huán)保事故的問題，制訂完善的安全環(huán)保應(yīng)急預(yù)案。

（2）通過乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)室合成（前期進(jìn)行）與中試生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)，可培養(yǎng)學(xué)生對化工產(chǎn)品的研發(fā)能力，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室研究、中試生產(chǎn)、工藝控制，完成工業(yè)化生產(chǎn)前期化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的研究。

（3）通過乙酸乙酯中試虛擬仿真與中試生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)能力和管理能力；通過乙酸乙酯生產(chǎn)工藝虛實(shí)結(jié)合的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生對不同設(shè)備的操作能力；通過對單元的組合切換，完成不同工藝流程的能力、生產(chǎn)管理與事故應(yīng)急處理能力。

3 虛實(shí)結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特色

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的創(chuàng)新性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體現(xiàn)了“產(chǎn)出導(dǎo)向，學(xué)生中心、持續(xù)改進(jìn)”的工程教育認(rèn)證理念和新工科教育理念，在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了先仿后做以求虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，教學(xué)方法運(yùn)用中采用了多法并舉以求產(chǎn)出實(shí)效的創(chuàng)新方式，形成了獨(dú)具特色的目標(biāo)反求式、問題探究式、情景再現(xiàn)式和過程貫通式等行之有效的教學(xué)方法，該方法對傳統(tǒng)教學(xué)方法通過革故鼎新以求推陳出新的重組，是對傳統(tǒng)優(yōu)秀教學(xué)模式的繼承和對現(xiàn)代教學(xué)體系的補(bǔ)充。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)效性

虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目解決了實(shí)踐教學(xué)受制于企業(yè)的困惑，保證了化工人才培養(yǎng)教學(xué)活動的正常秩序；解決了化工人才培養(yǎng)中工程實(shí)踐較薄弱的問題，保證了復(fù)雜工程問題能力的綜合訓(xùn)練；彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中費(fèi)時、耗材和盲目操作的缺陷，保證了教學(xué)活動的收益和學(xué)生實(shí)驗(yàn)誤操作風(fēng)險的降低；化解了純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的弊端，保證了先仿后作、先虛后實(shí)的良好效果。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于“產(chǎn)出導(dǎo)向，學(xué)生中心、持續(xù)改進(jìn)”的工程教育認(rèn)證理念和新工科教育理念，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“有虛有實(shí)、先虛后實(shí)、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的理念設(shè)計(jì)，以精細(xì)化學(xué)品乙酸乙酯為例設(shè)計(jì)中試生產(chǎn)訓(xùn)練工藝流程，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)乙酸乙酯生產(chǎn)工藝仿真，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目銜接有機(jī)化學(xué)乙酸乙酯的合成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，力求通過一個精細(xì)化學(xué)品的實(shí)驗(yàn)室合成、中試生產(chǎn)完成學(xué)生從產(chǎn)品研發(fā)到中試生產(chǎn)過程科研能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)；從中試工藝仿真到生產(chǎn)訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生的安全素養(yǎng)、工程理念、工藝設(shè)計(jì)、組織生產(chǎn)和生產(chǎn)管理等實(shí)踐能力。

3.3 教學(xué)方法創(chuàng)新性

精細(xì)化學(xué)品中試工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在多年教學(xué)實(shí)踐的過程中，形成了獨(dú)具特色的目標(biāo)反求式、問題探究式、情景再現(xiàn)式、過程貫通式等行之有效的教學(xué)方法，對新工科 2.0背景下的高等化工人才培養(yǎng)大有裨益。

（1）目標(biāo)反求式。以精細(xì)化學(xué)品乙酸乙酯為目標(biāo)，學(xué)生對目標(biāo)產(chǎn)品的性能、應(yīng)用和市場進(jìn)行調(diào)研分析，確定乙酸乙酯的產(chǎn)品規(guī)格、生產(chǎn)規(guī)模；利用前期所學(xué)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，構(gòu)建乙酸乙酯的合成路線和工藝路線，選擇合成條件、合成技術(shù)和合成方法。在實(shí)驗(yàn)中正確穿戴防護(hù)用品，掌握化學(xué)危險品及廢棄物安全使用和處置方法，針對泄漏、接觸、吸入等可能的危害做好應(yīng)急預(yù)案；針對中試生產(chǎn)過程反應(yīng)器、換熱器、精餾塔、流體輸送設(shè)備及水、電等，掌握中試生產(chǎn)安全操作規(guī)程。

（2）問題探究式。通過對化工產(chǎn)品的目標(biāo)反求式訓(xùn)練，初步形成乙酸乙酯產(chǎn)品的合成路線和工藝路線，并進(jìn)一步驗(yàn)證方案是否達(dá)到“技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行安全、環(huán)境友好”。學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品方案通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，該驗(yàn)證過程是一個“試誤糾偏”的問題探究式訓(xùn)練過程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)會判斷學(xué)生設(shè)計(jì)的方案是否可行，并對不可行的方案進(jìn)行糾正，使學(xué)生對化工產(chǎn)品設(shè)計(jì)的構(gòu)思過程、技術(shù)關(guān)鍵、工作要領(lǐng)和工程能力得到強(qiáng)化。

（3）情景再現(xiàn)式。學(xué)生通過自己設(shè)計(jì)和虛擬仿真環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，畢竟沒有見到實(shí)際的產(chǎn)品，對自己的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果心存疑慮，如何將一個處于“虛”態(tài)的方案轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€具體的“實(shí)”體產(chǎn)品，解決這一疑惑的最好辦法莫過于進(jìn)行實(shí)際操作，乙酸乙酯中試裝置就是專門為解決這一教學(xué)困惑而構(gòu)建的。在我?；すに噷I(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)做過乙酸乙酯的實(shí)驗(yàn)室小試實(shí)驗(yàn)，但對于中試實(shí)驗(yàn)畢竟是第一次，學(xué)生的好奇心和求知欲是比較強(qiáng)的，此時讓學(xué)生在乙酸乙酯中試裝置的實(shí)體情景中進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，訓(xùn)練學(xué)生解決化工產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力。

（4）過程貫通式。精細(xì)化學(xué)品中試工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體現(xiàn)了化工產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)從小試到中試的過程貫通，體現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)方式的先仿后做與由虛到實(shí)的過程貫通，體現(xiàn)了人才培養(yǎng)的理論研究與工程應(yīng)用相結(jié)合的過程貫通，體現(xiàn)了新工科 2.0背景下人才要求的專業(yè)能力培養(yǎng)和人文素質(zhì)修煉的過程貫通。通過乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)室合成（前期進(jìn)行）與中試生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)，可培養(yǎng)學(xué)生對化工產(chǎn)品的研發(fā)能力，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室研究、中試生產(chǎn)、工藝控制，完成工業(yè)化生產(chǎn)前期化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的研究。

3.4 構(gòu)建評價體系，學(xué)生中心以求試誤糾偏

利用虛擬仿真軟件的智能操作指導(dǎo)、診斷與評分系統(tǒng)，可以對每個學(xué)生的操作步驟進(jìn)行評分，判斷其操作過程的正確性和準(zhǔn)確性，針對學(xué)生進(jìn)行精細(xì)化學(xué)品中試工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的情況，給出評價。在乙酸乙酯生產(chǎn)工藝中，反應(yīng)釜溫度、篩板塔和填料塔溫度、篩板塔和填料塔液位是控制關(guān)鍵指標(biāo)，關(guān)系到合成產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)及安全環(huán)保問題，如果實(shí)驗(yàn)過程中這些指標(biāo)不合格，則判定實(shí)驗(yàn)不合格，需重新進(jìn)行訓(xùn)練。該驗(yàn)證過程是一個“試誤糾偏”的問題探究式訓(xùn)練過程，將使學(xué)生對化工產(chǎn)品設(shè)計(jì)的構(gòu)思過程、技術(shù)關(guān)鍵、工作要領(lǐng)和工程能力得到強(qiáng)化。

3.5 傳統(tǒng)教學(xué)重組，革故鼎新以求推陳出新

經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，精細(xì)化學(xué)品中試工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已形成獨(dú)具特色的目標(biāo)反求式、問題探究式、情景再現(xiàn)式和過程貫通式等行之有效的教學(xué)方法，對新工科2.0背景下的高等化工人才培養(yǎng)大有裨益。

為了培養(yǎng)大學(xué)生的工程實(shí)踐能力，架起理論教學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐的橋梁，實(shí)現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科教學(xué)要求，蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院成立了石油化工過程虛擬仿真及實(shí)訓(xùn)中心。學(xué)生通過在仿真機(jī)上練習(xí)石油化工生產(chǎn)裝置的冷態(tài)開車、正常停車以及各種事故處理的操作，在中試生產(chǎn)裝置上進(jìn)行真實(shí)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)組織和工藝條件的控制，經(jīng)過“有虛有實(shí)、先虛后實(shí)、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)過程的實(shí)施，培養(yǎng)了對石油化工生產(chǎn)過程的認(rèn)識，提升工程實(shí)踐能力，為最終實(shí)現(xiàn)卓越工程師教育奠定基礎(chǔ)。

4 展望

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將持續(xù)建設(shè)與更新乙酸乙酯工藝虛擬仿真教學(xué)資源，將配套的教學(xué)資源置入共享網(wǎng)絡(luò)平臺中，供校內(nèi)外學(xué)生在線學(xué)習(xí)，并進(jìn)一步提高網(wǎng)頁訪問的便利性。目前，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目主要面向本校學(xué)生的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)習(xí)；而在未來的 1～3

年，逐步拓展面向高校的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)向省內(nèi)兄弟院校開放共享、共享共建。